Entendiendo la Sensibilidad a la Humedad en PCB: Prevención, Detección y Eliminación

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Aunque los efectos de la deslaminación pueden detectarse mediante imágenes térmicas y microscopía acústica, no siempre se manifestarán en forma de síntomas obvios como decoloración y superficies ampolladas. En general, es altamente preferible prevenir que la humedad llegue al PCB en primer lugar. Esta protección puede lograrse mediante procesos como pre-horneado (pre-baking) y almacenamiento adecuado. El diseño del PCB también puede afectar si la humedad es más o menos probable que sea un problema. Uno de los problemas más preocupantes con las placas de circuito impreso (PCB) involucra la presencia de humedad. Si existe humedad dentro de un PCB, la desestabilización causada por ella es propensa a tener un efecto deslaminador en los elementos superficiales. Cada vez que se aplica soldadura o retrabajo al PCB, la deslaminación podría expandirse fácilmente como resultado del contenido de humedad.

Cómo la Humedad Puede Afectar un PCB

La presencia de humedad puede llevar a diversos fallos funcionales en un PCB, dependiendo de qué componentes o rutas conductoras entren en contacto con ella a medida que la difusión toma fuerza. La humedad puede anidar en el vidrio epoxi, resina o interfaces de vidrio y grietas en una placa. Los problemas comúnmente asociados con la humedad incluyen velocidades de circuito ralentizadas y tiempos de retraso aumentados con las funciones de un dispositivo correspondiente. Si el problema supera cierto límite, el dispositivo podría simplemente no activarse.

Se han realizado pruebas que muestran los efectos de la absorción y desorción de humedad en placas de circuito impreso. En un PCB con orificios plateados de densidad variable, cantidades atrapadas de humedad tienen diferentes tasas de desorción basadas en la distancia entre cada orificio. En PCB que están fuertemente saturados, la desorción puede tomar cientos de horas dentro de entornos de alta temperatura.

Si un PCB se coloca en un entorno donde la presión de humedad atmosférica supera la resistencia de la placa y sus componentes, la humedad puede penetrar el PCB. Para prevenir que la deslaminación por humedad surta efecto en un PCB, la soldadura debe realizarse solo con altas temperaturas de menos del 0,1 por ciento de contenido de humedad o con bajas temperaturas de menos del 0,2 por ciento de contenido de humedad. La soldadura de alta temperatura rondaría los 260 grados Celsius, mientras que la soldadura de baja temperatura estaría en torno a los 230 grados Celsius.

Detección y Eliminación de Humedad

Cuando se realizan mediciones de la capacidad de un PCB para almacenar energía eléctrica, se puede detectar un cambio en el contenido de humedad dentro de la placa. Se utilizan sensores de capacitancia en este proceso. Los niveles de capacitancia se mueven en proporción inversa a la densidad de orificios. Si esta última es alta, la primera es baja porque hay menos distancia entre la humedad y la superficie pero más espacio para que la humedad escape.

En PCB sin orificios plateados (non-PTH), la capacitancia disminuye a un ritmo más rápido. Como tal, se necesita menos tiempo de horneado para que estas placas tengan un nivel de humedad lo suficientemente bajo. En placas PTH, hay menos superficie expuesta para que la humedad escape.

Debido al efecto inverso de los planos de cobre en el proceso de desorción, deben hornearse considerando su diseño. Por un lado, puede vaciar la humedad más eficazmente de una placa ejecutando el proceso de horneado por períodos más largos, pero hacerlo podría reducir la soldabilidad y la capacidad funcional de la placa. En consecuencia, el tiempo de horneado debe medirse para evitar estos posibles efectos secundarios.

El proceso de eliminación de humedad no siempre produce resultados predecibles. Por ejemplo, un par de planos de cobre idénticos podrían sufrir un brote central momentáneo de humedad al comenzar el horneado, solo para difuminarse momentos después. Si esta hinchazón momentánea de humedad ocurre en un área de la placa donde la deslaminación es más probable, podría ser el efecto secundario no intencionado del horneado.

En algunas placas, la eliminación de humedad simplemente no es posible una vez que la humedad se ha difundido a través de varias capas. Por lo tanto, es crucial emplear medidas para prevenir que la humedad entre en la placa durante el proceso inicial de ensamblaje.

¿Por Qué Ocurre?

Una de las formas más comunes de que los PCB se expongan a la humedad es a través del contacto con el aire frío de invierno. En temperaturas frías, no hay suficiente calor dentro del aire atmosférico para absorber la humedad. Como resultado, el contenido humedecido del aire se libera sobre superficies frías. Si una superficie se vuelve más fría que el aire mismo, esa superficie puede servir como imán para la humedad liberada, o condensado. Este proceso es por el que las ventanas a menudo se empañan durante el invierno.

Los artículos fríos colocados en proximidad a áreas de condensación también son propensos a atraer humedad del aire. Por ejemplo, un jarrón colocado a lo largo del alféizar de una ventana empañada es propenso a humedecerse con gotas de humedad. Cualquier superficie que pueda volverse más fría que el aire interior y retener agua estancada puede servir como imán, incluyendo las superficies de componentes informáticos.

Las superficies internas y externas de una computadora o dispositivo periférico inactivo pueden volverse fácilmente frías en los meses de invierno. A medida que las superficies se vuelven más frías que el aire mismo, atraen humedad. Con componentes internos, el problema puede exacerbarse si no hay orificios de ventilación presentes para que la humedad escape. Los PCB, por ejemplo, pueden estar situados horizontalmente dentro de una caja de computadora, escáner, reproductor de video o dispositivo estéreo. Durante horas del día cuando la casa está vacía y tanto la calefacción como la electricidad están apagadas a pesar de las bajas temperaturas exteriores, estos dispositivos pueden servir como imanes de humedad.

A medida que la humedad se difunde sobre las superficies de los PCB y otra circuitería interna, los dispositivos pueden eventualmente no volver a encender. Cuando un dispositivo se deja inactivo durante los meses de invierno y no se activa en la primavera, la humedad internalizada a veces es la causa. Dado que el dispositivo en sí ha estado inactivo, no ha habido generación de calor interno dentro de la unidad durante el período en cuestión.

Formas adicionales en que la humedad puede acumularse en los PCB incluyen las siguientes:

• Empaquetado insuficiente: Los PCB también pueden entrar en contacto con la humedad cuando se empaquetan o almacenan en bolsas y gabinetes inadecuados. Si una placa se envía en un paquete inadecuado que no ofrece protección contra condiciones ambientales, la humedad puede filtrarse bajo ciertas condiciones. En algunos casos, la humedad se difundirá en las capas del PCB antes de llegar a manos del cliente.
• Ensamblaje: Una de las formas más elusivas y frustrantes en que la humedad puede entrar en contacto con un PCB es cuando partículas de agua del aire ambiente caen sobre la placa durante el proceso de ensamblaje. Si el agua cae sobre la placa misma antes de la soldadura y se difunde a través de las capas, la placa en sí puede fabricarse esencialmente con un defecto. Aunque existen pasos para eliminar la humedad, esos mismos pasos también pueden abrir la placa a una mayor exposición.
• Horneado (Baking): La humedad incluso puede hincharse dentro de una placa durante el proceso más común utilizado para combatir la humedad en PCB: el horneado. Aunque la intención detrás del horneado es calentar los PCB a niveles de temperatura que fuerzan la salida de la humedad, las moléculas de humedad internalizadas a menudo se expanden momentáneamente a medida que la temperatura sube dentro de la placa. Aunque la mayor parte de la humedad finalmente es expulsada del PCB, la expansión momentánea puede causar una difusión irreversible adicional dentro de la placa.

Estándares IPC para Humedad

En 2010, se establecieron estándares IPC para el control de humedad en PCB para abordar la negligencia que este tema había recibido en el alcance general del mantenimiento de PCB. Las placas de soldadura recubiertas pueden retener su soldabilidad por períodos más largos siempre que se tomen medidas para prevenir que la humedad entre en las placas. Alternativamente, las placas pueden durar más si se emplean pasos adecuados para difundir la humedad.

Según las directrices, el horneado es un método práctico para la eliminación de humedad de PCB en los que los controles de proceso preexistentes han fallado en prevenir la entrada de humedad. Sin embargo, las directrices también advierten que el horneado conlleva mayores gastos, mayor tiempo de ciclo y disminución de la soldabilidad. El proceso de horneado también consiste en mayor manipulación, lo que puede causar daño e infligir contaminación en un PCB. Por lo tanto, la necesidad de horneado debe evitarse tanto como sea posible con mantenimiento preventivo durante el ensamblaje, manipulación y almacenamiento de PCB.

El documento advierte especialmente contra el horneado de recubrimientos de conservante de soldabilidad orgánico (OSP) porque los efectos del horneado disminuyen el acabado. En soldadura sin plomo, los recubrimientos OSP son comunes debido a los pasos rentables y fáciles involucrados en su aplicación. A pesar de estas ventajas, las capas OSP pueden oxidarse fácilmente debido a la simplicidad de la capa de recubrimiento, que es lo único que protege la superficie de cobre subyacente. Solo toma un par de minutos para que ocurra la separación de superficie y difusión de humedad con un recubrimiento OSP.

Los PCB a menudo se envían en empaques que hacen que las placas sean vulnerables a la absorción de humedad. En muchos casos, los PCB se envían en bolsas de aluminio o bolsas ESD. En consecuencia, tales placas a menudo llegan con cantidades peligrosas de difusión de humedad. Si se almacenan en los paquetes después de ser recibidas, las placas podrían arruinarse fácilmente en cuestión de meses. Los PCB deberían enviarse y almacenarse en Bolsas de Barrera de Humedad (Moisture Barrier Bags - MBB).

Cómo Prevenir la Humedad en PCB

Durante la fabricación de PCB, el proceso de laminación debe realizarse en un entorno controlado por temperatura donde el sistema de aire está regulado con agentes desecantes secantes. También es crucial usar guantes frescos durante cada ciclo de trabajo para evitar la propagación de contaminación entre diferentes componentes.

El propio proceso de laminación de PCB tiene un efecto deshidratante en el producto terminado. Es durante esta etapa que los prepregs y núcleos se ponen en su lugar y las capas se unen en una sola placa. Algunos fabricantes aplican un efecto de vacío de baja presión durante esta etapa para prevenir vacíos internos que podrían atrapar humedad dentro de las capas.

Entre ciertos fabricantes de PCB, es práctica común hornear los prepregs antes de la laminación. El objetivo aquí es prevenir bolsas de humedad y ampollas en la placa terminada. Este paso es más útil cuando el prepreg ha pasado un cierto tiempo antes en un entorno de almacenamiento no regulado. De lo contrario, este paso generalmente no es necesario.

Uno de los medios más efectivos de prevención de humedad en un PCB son los planos de cobre mallados (meshed copper planes), que inhiben el viaje de humedad entre capas así como dentro y fuera de las placas. Los planos de cobre mallados también sirven como material de unión más fuerte entre capas. Sin embargo, su presencia en un PCB puede reducir la capacidad eléctrica de la placa.

Cómo Eliminar la Humedad de los PCB

El método principal para eliminar la humedad de un PCB es el horneado (baking), durante el cual se aplican altos niveles de calor para forzar la salida de rastros incrustados de humedad. El horneado es un método popular porque las altas temperaturas son un medio efectivo de eliminación de humedad en la mayoría de los entornos. A medida que el calor avanza a través de las capas sometidas a este tratamiento, los efectos suelen ser exhaustivos y duraderos. El horneado a menudo se emplea durante la etapa de ensamblaje antes de que los PCB se envíen a tiendas y fábricas de electrónica.

A pesar de los efectos a menudo positivos del horneado, el proceso también puede tener sus inconvenientes. Si un PCB contiene grandes planos de cobre, las concentraciones de humedad podrían hincharse al principio durante el proceso de horneado, causando deslaminación como resultado. Es durante esos segundos de hinchazón que puede ocurrir la difusión de humedad. Una vez que esto sucede, el proceso de eliminación de humedad se vuelve mucho más difícil, si no imposible.

Los PCB pueden drenarse de contenido de humedad cuando se colocan en recintos de secado, que mantienen las placas a temperaturas ideales con menos de 0,05 g/m³ de vapor de aire. Este entorno proporciona un efecto de vacío en los PCB que detiene la humedad de asentarse o difundirse. Los recintos secos también previenen la oxidación y desarrollos intermetálicos. Los PCB pueden almacenarse indefinidamente en recintos de secado con poco riesgo de deterioro.

Es importante que los PCB se almacenen adecuadamente en compartimentos secos. Cuando se envían y mantienen en reserva, los PCB deben empaquetarse en MBB. Unidades de almacenamiento seco con aire deshumidificado pueden prevenir la exposición a la humedad durante las semanas o meses que un PCB espera ser utilizado en una computadora o dispositivo electrónico.

Un PCB contenido en un dispositivo activo podría posiblemente estar en contacto con la humedad si el dispositivo en sí ha estado en un ambiente lleno de humedad. Situado en una habitación con ventanas empañadas, un dispositivo desactivado podría fácilmente tener superficies humedecidas por dentro y por fuera, incluso si el problema no es aparente a simple vista. Puede evitar este problema manteniendo las unidades electrónicas activas durante los meses fríos y manteniendo temperaturas interiores razonablemente cálidas. Una computadora activa, por ejemplo, generará suficiente calor interno para eliminar la humedad de los PCB y otros componentes.

Otra forma de combatir la humedad en componentes electrónicos es colocar tales dispositivos en posición vertical. Una caja de computadora horizontal tendrá un PCB acostado que podría albergar humedad estancada. En una torre de computadora, el PCB está situado en posición vertical. Cuando el objetivo es eliminar la humedad por todos los medios necesarios, lo vertical es preferible a lo horizontal.

Placas de Circuito Impreso de Millennium Circuits Limited

La absorción de humedad en PCB es un problema importante a reconocer si utiliza placas de circuito impreso para productos de cualquier tipo. Para asegurar una larga vida de la placa, las precauciones de manipulación de PCB son necesarias de dominar a lo largo de todas las etapas de ensamblaje, manipulación, envío, almacenamiento, instalación, mantenimiento y reubicación.

En MCL, nuestros técnicos están profesionalmente capacitados en la manipulación segura de PCB, y aseguramos que cada PCB enviado desde nuestra ubicación se envíe en empaques seguros contra la humedad. Para obtener más información sobre nuestros PCB, contacte a MCL hoy para recibir una cotización.

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